Il n'existe aucun témoignage écrit sur l'origine du toponyme Villedieu.
L'hypothèse gallo-romaine paraît toutefois la plus vraisemblable, et l'étymologie la conforte:
Villedieu, du latin villa, maison de campagne et dei, dieu.
Or, les notables romains avaient construit des villas, sièges de riches domaines agricoles, où
ils honoraient leurs dieux.

Lors des invasions barbares, ils s'y réfugièrent, certainement à l'intérieur de murs d'enceintes en y protégeant les paysans dans un véritable pacte de défense, prélude à la féodalité.
Un grand nombre de villas gallo-romaines ont en effet donné naissance à des villages, sinon à des villes.

L'évangélisation ayant été précoce (IVème siècle) les premières églises furent souvent édifiées au coeur même de ces villas. Les probabilités sont donc grandes pour que Villedieu ait été à l'origine une villa gallo-romaine à proximité de Vasio (Vaison La Romaine) sous le nom de Villa Dei, puis sur le même site un lieudit, Villadieù (diéou) en patois local, enfin un village médiéval sous le toponyme Villedieu (1210).
Villadieù est encore usité en provençal comtadin.